自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土柱力學(xué)性能有限元分析

何林峰 吳輝琴 胡強(qiáng) 李佳成 朱真 劉星池

摘 要：為深入研究自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土柱的力學(xué)性能，探討偏心距、套箍系數(shù)、長(zhǎng)細(xì)比等參數(shù)對(duì)自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土柱力學(xué)性能的影響規(guī)律，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對(duì)已完成的自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土柱軸壓試驗(yàn)進(jìn)行非線性分析，驗(yàn)證模型的有效性，建立了不同參數(shù)下的構(gòu)件模型。結(jié)果表明分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好：構(gòu)件的承載力隨著偏心距的增大而大幅度下降；長(zhǎng)細(xì)比對(duì)構(gòu)件的承載力影響相對(duì)于套箍系數(shù)略大；加載初期，鋼管對(duì)混凝土的約束作用不明顯，達(dá)到峰值荷載后，構(gòu)件在1/2高度處的環(huán)向應(yīng)力迅速增加，鋼管對(duì)混凝土有顯著的約束作用；構(gòu)件的破壞類(lèi)型均屬于失穩(wěn)破壞。

關(guān)鍵詞：自密實(shí)混凝土；輕骨料混凝土；鋼管混凝土柱；承載力；偏壓

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.2 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.03.006

0 引言

如今高層、超高層以及大跨度的建筑已經(jīng)比較普遍，但這類(lèi)建筑往往需要有更加合理的材料和結(jié)構(gòu)才能滿足其實(shí)際的要求[1-3]。鋼管混凝土柱具有良好的承載能力，鋼管對(duì)混凝土的約束作用抑制了混凝土裂縫的延伸，提高了混凝土的耐久性和承載能力，混凝土加到鋼管中也使得鋼管的延性和穩(wěn)定性增大[4-6]。普通混凝土雖然有良好的力學(xué)性能，但其自重大，抗裂性能差，攪拌需要人工振搗，施工不便。研究人員研發(fā)出一種新型技術(shù)——輕骨料混凝土技術(shù)，具有代表性的輕骨料有頁(yè)巖陶粒、粉煤灰陶粒等，輕骨料混凝土具有自重輕、耐火性好、抗震性能佳的優(yōu)勢(shì)，可滿足大跨、高層結(jié)構(gòu)的建筑要求，但其流動(dòng)性不強(qiáng)，灌溉還需振搗，導(dǎo)致施工不便[7-8]。而自密實(shí)混凝土可以有效解決這一難題，自密實(shí)混凝土流動(dòng)性強(qiáng)，無(wú)需振搗，穩(wěn)定性強(qiáng)，耐久性高，能有效縮短工期[9-10]。目前自密實(shí)混凝土、輕骨料混凝土和鋼管混凝土在歐美國(guó)家的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，但因其技術(shù)尚未成熟，在國(guó)內(nèi)實(shí)際工程中的應(yīng)用還較少。近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)始大力推動(dòng)建筑新技術(shù)的研發(fā)，《2021年建筑業(yè)10項(xiàng)新技術(shù)》中包括了自密實(shí)混凝土、輕骨料混凝土、鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)3項(xiàng)技術(shù)。

目前對(duì)自密實(shí)混凝土、輕骨料混凝土、鋼管混凝土方面的相關(guān)研究取得了一定的進(jìn)展。鄭宏宇等[11]以陶粒作為輕骨料，以混凝土強(qiáng)度、套箍系數(shù)作為變量，研究薄壁圓鋼管約束輕骨料混凝土柱的軸心受壓性能；曾志偉等[12]以混凝土的強(qiáng)度為參數(shù)，研究高強(qiáng)鋼管混凝土柱的軸壓力學(xué)性能；王曉琴等[13]把不同骨料形狀、不同骨料占比作為參數(shù)，研究自密實(shí)混凝土的單軸力學(xué)性能。

當(dāng)前把自密實(shí)混凝土、輕骨料混凝土、鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)3項(xiàng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)研究也有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。李書(shū)明等[14]對(duì)鋼管自密實(shí)輕骨料混凝土和鋼管普通混凝土進(jìn)行對(duì)比分析，研究軸壓應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律；胡強(qiáng)等[15]以含鋼率、長(zhǎng)細(xì)比為參量，以陶粒作為輕骨料，分析鋼管自密實(shí)輕骨料混凝土柱的軸壓力學(xué)性能。這些研究結(jié)果表明鋼管自密實(shí)輕骨料混凝土柱的軸壓力學(xué)性能優(yōu)異，其自重輕、承載力高且施工方便，可應(yīng)用于高層和大跨度建筑結(jié)構(gòu)中，但目前大多數(shù)學(xué)者僅對(duì)自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土的軸壓力學(xué)性能進(jìn)行研究?？紤]到實(shí)際工程中構(gòu)件往往會(huì)受到偏壓荷載的影響，因此，本文將自密實(shí)混凝土、輕骨料混凝土、鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)3項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土柱，并以實(shí)際工程情況和需求為基礎(chǔ)，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對(duì)自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土柱的偏壓力學(xué)性能進(jìn)行深入探討，為實(shí)際工程提供理論參考。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了7根C50輕骨料鋼管混凝土柱[15]，在構(gòu)件軸心受壓狀態(tài)下，考慮偏心距（e）、套箍系數(shù)（η）、長(zhǎng)細(xì)比（λ）等對(duì)構(gòu)件受力性能的影響。試件使用900圓球型免燒結(jié)粉煤灰陶粒，P·O52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，Ⅱ區(qū)河沙，一級(jí)粉煤灰，普通自來(lái)水以及減水劑和膨脹劑。鋼管外直徑為159、194、219 mm，壁厚為4、5、6 mm，高為650、800、970、1 000、1 100 mm；鋼管上下墊板尺寸均為220 mm×220 mm×10 mm；陶粒輕骨料基本性能見(jiàn)表1，自密實(shí)輕骨料混凝土配合比見(jiàn)表2。

試驗(yàn)采用500 t液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行豎向靜力加載。構(gòu)件位于壓力機(jī)中心軸處，加載方向豎直向上，構(gòu)件采用分級(jí)單調(diào)加載制度，在壓力機(jī)下板左右各放置一個(gè)位移計(jì)（A1，A2），在構(gòu)件中部位置兩側(cè)各布置一個(gè)位移計(jì)（A3，A4）；在鋼管外表面中部位置每隔90°布置一個(gè)縱向和橫向的應(yīng)變片。加載裝置、位移計(jì)、應(yīng)變片布置位置及實(shí)物圖如圖1所示。

2 有限元模型建立

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分析，首先對(duì)已完成試驗(yàn)的構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值模擬并驗(yàn)證模擬結(jié)果的有效性；然后拓展其參數(shù)變化，分析其對(duì)構(gòu)件受力性能的影響。模擬構(gòu)件參數(shù)見(jiàn)表3。

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

2.1.1 混凝土本構(gòu)與損傷因子

混凝土選用塑性損傷模型，混凝土的材料屬性由前期試驗(yàn)得出，見(jiàn)表4。很多鋼管混凝土柱中核心混凝土的本構(gòu)關(guān)系都是根據(jù)單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全曲線統(tǒng)一計(jì)算式得出，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)與模擬出來(lái)的結(jié)果相差過(guò)大。由于構(gòu)件為鋼管和混凝土的組合結(jié)構(gòu)，核心輕骨料混凝土受到鋼管的套箍作用，故混凝土本構(gòu)關(guān)系采用軸對(duì)稱(chēng)三軸受壓本構(gòu)模型[16]，其公式為式（1），本構(gòu)曲線如圖2所示。采用的壓縮和拉伸塑性損傷因子參照文獻(xiàn)[17]，考慮拉伸剛度恢復(fù)因子為0，壓縮剛度恢復(fù)因子為1，拉伸到壓縮時(shí)裂縫閉合，剛度恢復(fù)，從壓縮到拉伸裂縫仍然存在，剛度不恢復(fù)。

2.1.2 鋼管本構(gòu)

鋼管為Q235，鋼材在彈性階段的類(lèi)型選為各向同性，鋼材材料性能由前期試驗(yàn)得出，見(jiàn)表5。鋼管混凝土柱中的鋼管在受壓狀態(tài)下往往會(huì)經(jīng)歷彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和二次塑流階段4個(gè)階段，因此鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性模型[18]，其計(jì)算公式為式（2），模型圖如圖3所示。

2.2 單元選取

混凝土和上下墊板選取C3D8R（八結(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分）三維實(shí)體單元，鋼管厚度方向的剪切變形量較小，厚度與跨度的比值小于1/15時(shí)屬于薄壁殼，故本文中的模型選用S4R（四結(jié)點(diǎn)曲面薄殼減縮積分）殼單元。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

2.3 界面關(guān)系處理

接觸分析中的接觸是由主面和從面構(gòu)成，在模擬過(guò)程中接觸方向總是主面的法線方向，從面上的結(jié)點(diǎn)不會(huì)穿過(guò)主面，但主面能穿過(guò)從面，所以主面應(yīng)考慮剛度較大的部件。本次模型由4個(gè)部件組成：鋼管、混凝土、上墊板、下墊板。部件之間需要進(jìn)行接觸分析：1）將上墊板的下底面設(shè)為主表面，混凝土的上頂面設(shè)為從表面，對(duì)混凝土與上墊板進(jìn)行綁定；2）下墊板的上頂面設(shè)為主表面，混凝土的下底面設(shè)為從表面，對(duì)下墊板和混凝土進(jìn)行綁定；3）混凝土的側(cè)表面設(shè)為主表面，鋼管的內(nèi)表面設(shè)為從表面，對(duì)混凝土和鋼管進(jìn)行綁定；4）在下墊板的下底面設(shè)置參考點(diǎn)RP-1，將RP-1點(diǎn)和下墊板的下底面進(jìn)行耦合；5）在上墊板的上頂面設(shè)置參考點(diǎn)RP-2，將RP-2點(diǎn)和上墊板的上頂面進(jìn)行耦合。

3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型與試驗(yàn)構(gòu)件力學(xué)性能數(shù)據(jù)的吻合度，證明模型的有效性，本文對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析。以A-0為例，模擬結(jié)果如圖5所示，在軸向力作用下，有限元模型破壞形態(tài)與試驗(yàn)相同，鋼管中部發(fā)生彎曲，鋼管上下兩端有微小鼓起。由圖6可知，試驗(yàn)與模擬的荷載-位移曲線的上升段、下降段、強(qiáng)化段一致；模擬的峰值荷載略高，與試驗(yàn)的峰值荷載相差9%。因此，說(shuō)明了該有限元模型的有效性。

4 參數(shù)分析

4.1 構(gòu)件參數(shù)

在軸壓試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將加載方向沿壓力機(jī)中心軸處水平向右移動(dòng)，以A-0構(gòu)件為基礎(chǔ)，考慮不同偏心距、套箍系數(shù)和長(zhǎng)細(xì)比的影響，分析構(gòu)件在偏壓荷載狀況下的力學(xué)性能。構(gòu)件基本信息見(jiàn)表6，各構(gòu)件均屬于中長(zhǎng)柱，上下墊板尺寸設(shè)為270 mm×270 mm×40 mm。

4.2.1 變形能力

各構(gòu)件的變形過(guò)程基本相似。構(gòu)件初始側(cè)向變形很小，此時(shí)構(gòu)件處于理想的受壓狀態(tài)；隨著承載力的增加，側(cè)向變形加大，構(gòu)件截面處于偏壓狀態(tài)；當(dāng)承載力達(dá)到極限時(shí)，柱子發(fā)生失穩(wěn)破壞，該破壞屬于彈塑性失穩(wěn)破壞，破壞形態(tài)見(jiàn)圖7。

4.2.2 荷載-位移曲線

圖8為構(gòu)件的荷載-位移曲線圖。從圖8（a）可知，偏心距對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度影響較大。隨著偏心距的增大，極限承載力大幅下降，A-3較A-1承載力下降了38.6%；同時(shí)曲線下降段逐漸變得平穩(wěn)；初始剛度略微降低，這是由于偏心距改變了構(gòu)件截面縱向應(yīng)力的梯度分布，進(jìn)而改變截面橫向應(yīng)力的梯度分布，減弱鋼管對(duì)混凝土的套箍作用，使得構(gòu)件承載力急劇下降。

從圖8（b）可知，隨著套箍系數(shù)的增加，曲線上升幾乎不變，初始剛度幾乎無(wú)變化，但下降段變陡，而極限承載力出現(xiàn)小幅度增加，B-2較A-2承載力提高5.3%。鋼管混凝土柱在受荷初期套箍效應(yīng)較弱，各構(gòu)件相差不大，到后期鋼管對(duì)混凝土產(chǎn)生的套箍作用增大，構(gòu)件具有較明顯的強(qiáng)化段，增加了混凝土的韌性和強(qiáng)度。

中長(zhǎng)柱在縱向受荷狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)較大的撓曲導(dǎo)致附加彎矩產(chǎn)生，尤其是在偏壓狀態(tài)下這種現(xiàn)象更為顯著。由圖8（c）可知，隨著長(zhǎng)細(xì)比的加大，構(gòu)件的撓度增加越快，更易產(chǎn)生二階效應(yīng)，極限承載力降低越快。C-2較A-2承載力降低10.5%，且初始剛度略微降低；到后期階段，A-2有明顯的強(qiáng)化段，C-1沒(méi)有強(qiáng)化段，C-2只有下降段，表明該階段鋼管對(duì)混凝土的約束能力隨著長(zhǎng)細(xì)比的加大而減少。

4.2.3 荷載-應(yīng)力曲線

以構(gòu)件A-3為例，研究其1/2高度處受拉側(cè)、受壓側(cè)和形心軸處的荷載-應(yīng)力曲線，如圖9所示，介紹縱向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力。由圖9可以看出，加載初期，受拉側(cè)的環(huán)向應(yīng)力幾乎為0，縱向應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，受壓側(cè)和形心軸處的環(huán)向應(yīng)力較低，但縱向應(yīng)力迅速增加，說(shuō)明鋼管對(duì)受拉側(cè)混凝土的約束作用在加載初期時(shí)較小，而對(duì)受壓側(cè)和形心軸處混凝土的約束作用略大；峰值荷載后，受拉側(cè)、受壓側(cè)和形心軸處的環(huán)向應(yīng)力迅速增加，由橫向的壓應(yīng)力過(guò)渡為拉應(yīng)力，受壓側(cè)和形心軸處的縱向壓應(yīng)力均緩慢減少。當(dāng)荷載下降至峰值荷載的80%左右時(shí)，受壓側(cè)和形心軸處的環(huán)向應(yīng)力變化幾乎一樣，鋼管受拉側(cè)處于雙向受拉狀態(tài)。

5 結(jié)論

1）有限元模型分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。分析結(jié)果表明，自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土柱具有較好的力學(xué)性能。

2）自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土柱在受偏壓荷載初期，其中部的環(huán)向應(yīng)力較小，鋼管對(duì)混凝土幾乎無(wú)約束作用；峰值荷載之后構(gòu)件A-3鋼管受拉側(cè)環(huán)向應(yīng)力從-10 MPa過(guò)渡到100 MPa，受壓側(cè)環(huán)向應(yīng)力從0過(guò)渡到140 MPa，形心軸處環(huán)向應(yīng)力從-8 MPa過(guò)渡到130 MPa，環(huán)向約束力有增強(qiáng)的趨勢(shì)。

3）偏心距的改變會(huì)引起自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土柱截面橫向應(yīng)力梯度分布的改變，大大減少鋼管對(duì)混凝土的套箍作用，構(gòu)件A-3較A-1承載力下降了38.6%，偏心距對(duì)自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土柱的承載力影響較大。

4）偏壓荷載下，構(gòu)件A-2、B-1和B-2的承載力逐步提高，其中B-2較A-2承載力提高5.3%，可得出，隨著套箍系數(shù)的加大，自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土柱的承載力增加，構(gòu)件強(qiáng)化階段明顯，可加強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和韌性。

5）構(gòu)件A-2、C-1和C-2的承載力逐漸減少，其中C-2較A-2承載力降低10.5%，可得出：隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加，偏壓狀態(tài)下自密實(shí)輕骨料鋼管混凝土柱產(chǎn)生的撓度增大，產(chǎn)生的二階效應(yīng)更為明顯，構(gòu)件的承載力降低。

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Finite element analysis of mechanical properties of self-compacting lightweight aggregate concrete-filled steel tube columns

HE Linfeng， WU Huiqin*， HU Qiang， LI Jiacheng， ZHU Zhen， LIU Xingchi

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： To study the mechanical properties of self-compacting-lightweight aggregate-concrete-filled steel tube columns （SLCST） and explore the effect of eccentric distance， hoop coefficient and slenderness ratio on the mechanical properties of SLCST， ABAQUS finite element software is used to carry out nonlinear analysis on the completed axial compression test of SLCST， verify the effectiveness of the model and establish the component model under different parameters. The results show that the analytical results are in good agreement with the experimental results： The bearing capacity of the component decreases significantly with the increase of eccentric distance; The slenderness ratio has a greater effect on the bearing capacity than the hoop coefficient; At the beginning of loading， the steel pipe has a weak constraint effect on concrete， after the peak loading， the hoop stress at 1/2 height of the component increases rapidly， and the steel pipe has a significant constraint effect on concrete hoop; The failure types of components all belong to instability failure.

Key words： self-compacting concrete; lightweight aggregate concrete; concrete-filled steel tube columns; bearing capacity; eccentric compression

（責(zé)任編輯：羅小芬）